سیکل ساده، سیکل ترکیبی یا رویکردی از هردو؟
چرخه‌‌‌های قدرت سنتی
اداره اطلاعات انرژی ایالات متحده (EIA) گزارش می‌دهد که فاکتورهای ظرفیت نیروگاه‌‌‌های سیکل ساده از سال ۲۰۱۷ تا ۲۰۲۳ به طور متوسط ۹.۶درصد تا ۱۴.۱درصد بوده است. با این حال، پیک تابستانی این نیروگاه‌‌‌ها بیش از ۱۲درصد افزایش یافته و در برخی مواقع به ۲۳درصد رسیده است. اوج بهره‌‌‌برداری تابستانی از آنها به سرعت در حال افزایش است در حالی که استفاده در زمستان فقط اندکی افزایش یافته است. این امر منجر به نوسان ضریب ظرفیت زمستان به تابستان ۴درصد در سال ۲۰۱۷ شده است که به ۱۴درصد در سال ۲۰۲۳ افزایش یافته است.
پیک ظرفیت برق ایالات متحده تا اوایل سال ۲۰۲۴ به آرامی به ۱۳۲ گیگاوات افزایش یافته و در سه سال گذشته حدود ۳ گیگاوات به ظرفیت پیک اضافه شده است. اداره EIA افزایش ۱۴برابری تولید غیرقابل توزیع خورشیدی و بادی را در مقایسه با توان اوج‌پذیر و انرژی هستهای در سال ۲۰۲۴ (۳۷درصد خورشیدی و ۶درصد باد در مقابل ۲درصد گاز طبیعی و یک درصد هستهای) پیش‌بینی میکند. این ارقام نشان‌دهنده نیازهای به سرعت در حال افزایش برای پشتیبان‌‌‌گیری قابل ارسال از انرژی خورشیدی و بادی در حال رشد است.
یکی دیگر از طراحی‌‌‌های سنتی در صنعت برق نیروگاه سیکل ترکیبی است. چنین نیروگاه‌‌‌هایی گرمای خروجی توربین‌‌‌های گازی را از طریق یک مولد بخار بازیابی حرارت (HRSG) تغذیه می‌کنند که از چرخه رانکین برای تولید بخار استفاده میکند که به یک توربین بخار تغذیه می‌شود. این نوآوری کارآیی را با حاشیه قابل‌توجهی نسبت به نیروگاه‌‌‌های سیکل ساده افزایش می‌دهد که در شرایط ایده‌آل می‌تواند به ۶۵درصد برسد. طبق گفته EIA، میانگین ضریب ظرفیت ناوگان سیکل ترکیبی ایالات متحده در سال ۲۰۲۲ به ۵۷درصد افزایش یافته است.
طی سال‌های ۲۰۲۲ و ۲۰۲۳، در مجموع ۱۳ نیروگاه سیکل ترکیبی جدید با ظرفیت ترکیبی ۱۲.۴ گیگاوات در ایالات متحده وارد خدمت شدند و حدود ۵ گیگاوات دیگر نیز در سال‌های ۲۰۲۴ و ۲۰۲۵ به صورت آنلاین عرضه می‌شود. از آنجا که سیستم‌ها و اجزای بسیار بیشتری درگیر هستند، نیروگاه‌‌‌های سیکل ترکیبی پیچیده‌‌‌تر از تاسیسات سیکل ساده هستند. بنابراین، هزینه‌‌‌های سرمایه‌گذاری بالاتر است و مسائل تعمیر و نگهداری چند برابر می‌شود. علاوه بر این، وجود انرژی‌‌‌های تجدیدپذیر بیشتر در شبکه، بسیاری از نیروگاه‌‌‌های سیکل ترکیبی را مجبور به چرخه دائمی میکند. این باعث ایجاد مشکلات جدی نگهداری و تخریب در آنها می‌شود. در برخی موارد، مقابله با نوسانات مکرر برق خورشیدی و بادی، بازده سیکل ترکیبی را به کمتر از ۵۰درصد کاهش می‌دهد که دلیل آن واکنش کند توربین بخار ناشی از چرخش سریع است.
چرخه هیبریدی جدید
اما یک راه میانی در حال ظهور است که ترکیبی از چرخه ساده و ترکیبی است. چرخه قدرت VAST از یک گسترش‌دهنده توربین گازی استفاده میکند تا سیکل بریتون را با چرخه رانکین ترکیب کند و توربین بخار سیکل ترکیبی را حذف کند. یک منبسط‌کننده تک‌توربین گازی با حدود ۴۶درصد بخار و حدود ۵۴درصد نیتروژن (N۲)، دی اکسید کربن (CO۲) و اکسیژن (O۲) به عنوان سیال کاری داغ که نیروی سیستم را تولید میکند، عمل میکند. توربین گاز به یک توربین گاز/بخار هیبریدی تبدیل می‌شود و قدرت منبسط‌کننده را بین ۶۰ تا ۸۰درصد بسته به فشار افزایش می‌دهد.
همچنین گرمای خروجی بازیابی شده و با بخار و آب داغ به محفظه احتراق بازگردانده می‌شود. این امر باعث جابه‌جایی هوای خنک‌کننده اضافی فشرده و تلفات آن می‌شود. این سیستم به بازدهی بیش از ۵۰درصد دست می‌‌‌یابد و در عین حال برق ارزان‌‌‌تری را ارائه می‌دهد. حذف هوای خنک‌کننده اضافی نیز جریان و اندازه کمپرسور را تا ۵۰درصد یا بیشتر کاهش می‌دهد. اکنون انرژی مورد استفاده برای فشرده‌سازی هوای خنک‌کننده برای تولید برق در دسترس است. این به طور قابل‌توجهی کارآیی سیستم را افزایش می‌دهد در حالی که هزینه سرمایه به ازای هر کیلووات را کمتر از واحدهای سیکل ساده و ترکیبی کاهش می‌دهد. سپس ضریب ظرفیت تولید سالانه سیستم می‌تواند از کمتر از ۱۰درصد برای چرخه‌‌‌های ساده به ۱۰ تا ۶۰درصد برای پشتیبان‌‌‌گیری از برق خورشیدی و بادی غیرقابل ارسال تغییر کند.
از دیگر ویژگی‌‌‌های چرخه هیبریدی غلبه بر موانع احتراق مرطوب است. این چرخه هیبریدی جدید آب خالص را بازیابی میکند و تصفیه آب با کیفیت دیگ بخار را حذف میکند. با بازیافت آب خنک‌کننده و بخار، بیش از ۷۵درصد از هوای فشرده که معمولا برای خنک کردن توربین‌‌‌های گاز موردنیاز است، جابه‌‌‌جا می‌شود. تمام آب خنک‌کننده تزریق‌شده در حین بازیابی آب خالص، از احتراق بازیافت می‌شود. دکتر دیوید هاگن، یکی از بنیان‌گذاران و دانشمند ارشد فناوری VAST، گفت: بازیابی و بازیافت آب فوق خالص بر بزرگ‌ترین چالش‌‌‌های استفاده از توربین‌‌‌های گازی چرخه مرطوب غلبه میکند. این چرخه انرژی جدید بخار تزریقی و آب داغ به علاوه بخشی از آب حاصل از احتراق را بازیافت میکند.
هاگن می‌‌‌گوید: احتراق توربین گازی سخت‌‌‌ترین جزء برای مقیاس‌‌‌بندی بوده است. ما یک احتراق مقیاس‌پذیر طراحی کردیم که بر این چالش غلبه میکند. این ترکیب در حالی که دوام را بهبود می‌‌‌بخشد، یک سیال یکنواخت‌‌‌تر و کنترل دمای ۱۰ برابر بهتر را به دست می‌‌‌آورد. طبق گزارش آزمایشگاه ملی آرگون در مورد سیکل جدید، احتراق مرطوب با استفاده از آب و بخار یک فناوری امیدوارکننده برای کاهش شدید انتشارات مضر است و در عین حال راندمان چرخه برایتون را تا ۲۴درصد افزایش می‌دهد.
فناوری VAST یک سیستم تولید برق پشتیبان جدید و مقرون به صرفه‌‌‌تر را ارائه میکند که در راستای امکان نفوذ فزاینده انرژی خورشیدی و بادی تجدیدپذیر متناوب ضروری است. این فناوری جدید برای بازار به سرعت در حال رشد پشتیبان انرژی تجدیدپذیر - فراتر از توربین‌‌‌های پیکتر – بسیار قابل‌توجه است. احتراق پاک در این روش حدود ۶ تا ۹درصد هزینه‌‌‌های سرمایه پاکسازی انتشار گازهای گلخانه‌‌‌ای به اضافه هزینه‌‌‌های عملیاتی آمونیاک را حذف میکند.
پیش‌بینی‌‌‌های اولیه در مورد صرفه‌جویی در هزینه نشان می‌دهد که این رویکرد می‌تواند بازده را ۲۴درصد بیشتر از تاسیسات سیکل ساده افزایش دهد. اداره EIA تخمین می‌‌‌زند که یک نیروگاه سیکل ساده حدود ۳۸۹ دلار به ازای هر کیلووات هزینه دارد و همچنین پیش‌بینی می‌شود که با ظرفیت ۷۰ مگاوات حدود ۲۹۵ دلار به ازای هر کیلووات، یا ۳۷درصد کمتر از هزینه‌‌‌های اوج سیکل ساده، هزینه داشته باشد.
مراحل بعدی
سیستم سطح بلوغ فناوری (TRL) ناسا پیشرفت تجاریسازی فناوری جدید را نشان می‌دهد. فناوری‌‌‌های VAST به TRL ۴ رسیده است و به دنبال شرکایی است تا توسعه آن را در مرحله آزمایشی و تجاریسازی طی کنند. این سیستم هیبریدی این پتانسیل را دارد که برخی از مشکلاتی را که در طول انتقال انرژی به وجود آمده‌‌‌اند حل کند. با تعطیلی بسیاری از نیروگاه‌‌‌های زغال‌‌‌سنگ‌‌‌سوز و این حقیقت که بسیاری از مناطق تمایلی به سرمایه‌گذاری هنگفت در تاسیسات گاز طبیعی ندارند، هر چیزی که پتانسیل کاهش هزینه به ازای هر کیلووات برق سنتی و انتشار بسیار کمتر گازهای گلخانه‌‌‌ای را داشته باشد، باید مورد توجه قرار گیرد. اگر این رویکرد جدید برای احتراق مرطوب به سرعت به سمت تجاریسازی حرکت کند، می‌تواند شکاف موجود در تولید برق قابل ارسال را که هر‌ساله با اضافه شدن منابع بادی و خورشیدی به شبکه بیشتر می‌شود، پر کند.
